CN108649923B - 在线射频自动匹配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线射频自动匹配器，用于将射频电源输出的射频信号自动匹配给放电负载，自动匹配器包括第一可调电容、第二可调电容、第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达，还包括检测电路、增益自动控制电路、控制电路；射频电源输出端检测电路输入端连接，检测电路的输出端与增益自动控制电路的输入端连接，增益自动控制电路的输出端与控制电路的输入端连接，控制电路的输出端与第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达的控制输入端连接。本发明在线性放大器与相位/幅度信号之间各加入一个乘法器，运用正向功率信号对相位与幅度信号的增益进行自动调节，以实现马达驱动增益自动控制，提高射频自动匹配器的匹配速度。

Description

在线射频自动匹配器

技术领域

本发明涉及一种在线射频自动匹配器。

背景技术

由射频电源输出特性阻抗为50Ω的射频能量，射频自动匹配器将放电负载的阻抗调谐成50Ω，来实现阻抗匹配，确保射频能量最大限度地传输给放电负载，实现一个稳定的放电状态,如图1自动匹配器的应用原理框图。

其中，自动匹配器的功能是与放电负载的阻抗进行共轭匹配自动变换到50欧姆，以此确保射频能量的高效传输，“倒L”型射频自动匹配器基本功能框图如图2：当负载连接到RFOUT端口时调节CL\CT 2个真空电容，使在RFIN端口呈现50欧姆阻抗，当实际使用中负载阻抗发生偏移时，自动匹配就会检测到幅度、相位信号的偏移电压，用这两个信号放大后驱动2个执行马达，调节CL\CT 2个真空电容，当RFIN端口呈现50欧姆阻抗时，相位、幅度信号也达到0v马达停止调节，即就是完成匹配。

但随着工业技术的发展，射频等离子技术应用越来越广阔。目前有企业开发在线式射频等离子处理设备(该放电设备为容性负载)：即产线式流水作业，射频开关一次共用时20秒以内，等离子辉光处理用时5秒。在这样的情况下，就要求射频自动匹配器匹配时间要在3秒以内、精度也要高。本公司上一代的射频自动匹配器技术难以满足速度要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种匹配时间更短的在线射频自动匹配器。

实现本发明的技术方案如下：

在线射频自动匹配器，用于将射频电源输出的射频信号自动匹配给放电负载，自动匹配器包括第一可调电容、第二可调电容、第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达，还包括检测电路、增益自动控制电路、控制电路；射频电源输出端检测电路输入端连接，检测电路的输出端与增益自动控制电路的输入端连接，增益自动控制电路的输出端与控制电路的输入端连接，控制电路的输出端与第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达的控制输入端连接。

所述增益自动控制电路包括第一增益电路、第二增益电路，第一增益电路包括乘法器U2、形成并联的电位器R1、电阻R2、电阻R3，以及并联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，检测电路的幅度信号输出端与乘法器U2的Z1端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R1连接，电位器R1、电阻R2、电阻R3的并联处与乘法器U2的X1端连接，所述乘法器U2的Z2端接地；乘法器U2的WOUT端与电阻R4连接，电阻R6与控制电路连接。

所述第二增益电路包括乘法器U3、形成并联的电位器R7、电阻R8、电阻R9，以及并联的电阻R10、电阻11、电阻R12，检测电路的相位信号输出端与乘法器U3的Z2端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R7连接，电位器R7、电阻R8、电阻R9的并联处与乘法器U3的X1端连接，乘法器U3的Z1端接地；乘法器U3的WOUT端与电阻R10连接，电阻R12与控制电路连接。

所述乘法器U2、乘法器U3为型号AD734AQ的乘法器。

所述控制电路包括连接于第一增益电路与第一可调电容驱动马达之间的第一控制电路、连接于第二增益电路与第二可调电容驱动马达之间的第二控制电路，第一控制电路包括放大器U1A，放大器U1A的反相输入端与电阻R6连接，同相输入端接地，输出端与第一可调电容驱动马达连接；第二控制电路包括放大器U1B，放大器U1B的反相输入端与电阻R12连接，同相输入端接地，输出端与第二可调电容驱动马达连接。

本发明中的乘法器的相关端子说明如下:

乘法器U2：X1为正向功率检测信号端；Z1为幅度信号端；Z2为接地端；WOUT为幅度信号输出端；

乘法器U3：X1为正向功率检测信号端；Z1为接地端；Z2为相位信号端；WOUT为相位信号输出端。

采用了上述技术方案，本发明在上一代射频自动匹配器控制电路线性放大器(U1A和U1B)与相位/幅度信号之间各加入一个乘法器，运用正向功率信号对相位与幅度信号的增益进行自动调节，以实现马达驱动增益自动控制，提高上一代射频自动匹配器的匹配速度，使匹配时间达到3秒以内，并确保调节精度。

附图说明

图1为自动匹配器的应用原理框图；

图2为“倒L”型射频自动匹配器基本功能框图；

图3为射频自动匹配器阻抗调节变化特性史密斯圆图；

图4为相位/幅度检测输出特性图；

图5为本发明的原理框图；

图6为本发明的电路图；

图7为增益自动控制电路输出的MAG/PHASE特性曲线图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3示出了射频等离子容性负载(例)辉光放电过程阻抗变化特性史密斯圆图，其中A1点到B1点所示，A1点为启辉点阻抗，B1点为稳定放电点阻抗。负载阻抗从A1点到B1点变化时，射频自动匹配器(例)阻抗调节变化特性如上图A点到B点所示，A点为复位点(起始点)阻抗，B点为匹配点阻抗。即：射频自动匹配器的CL\CT 2个真空电容调节容量变化值一定，不能改变。

因为负载在启辉点A1阻抗时射频电源反射功率很大，基本达到全反射，受射频电源自身闭环控制保护与反射干扰信号的影响，相位/幅度检测输出特性，如图4所示。为了在B1点稳定放电不出现马达抖动现象，线性放大器U1A和U1B增益不能过高，所以上一代射频自动匹配器匹配在前6秒匹配很慢，从阻抗A点到B点调节时间要10秒以上。

参见图5、6所示，本发明的在线射频自动匹配器，用于将射频电源输出的射频信号自动匹配给放电负载，自动匹配器包括第一可调电容CL、第二可调电容CT、第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达，还包括检测电路、增益自动控制电路、控制电路；射频电源输出端检测电路输入端连接，检测电路的输出端与增益自动控制电路的输入端连接，增益自动控制电路的输出端与控制电路的输入端连接，控制电路的输出端与第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达的控制输入端连接。

具体实施中，增益自动控制电路包括第一增益电路、第二增益电路，第一增益电路包括乘法器U2、形成并联的电位器R1、电阻R2、电阻R3，以及并联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，检测电路的幅度信号输出端与乘法器U2的Z1端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R1连接，电位器R1、电阻R2、电阻R3的并联处与乘法器U2的X1端连接，乘法器U2的Z2端接地；乘法器U2的WOUT端与电阻R4连接，电阻R6与控制电路连接。第二增益电路包括乘法器U3、形成并联的电位器R7、电阻R8、电阻R9，以及并联的电阻R10、电阻11、电阻R12，检测电路的相位信号输出端与乘法器U3的Z2端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R7连接，电位器R7、电阻R8、电阻R9的并联处与乘法器U3的X1端连接，乘法器U3的Z1端接地；乘法器U3的WOUT端与电阻R10连接，电阻R12与控制电路连接。乘法器U2、乘法器U3为型号AD734AQ的乘法器。

其中，控制电路包括连接于第一增益电路与第一可调电容驱动马达之间的第一控制电路、连接于第二增益电路与第二可调电容驱动马达之间的第二控制电路，第一控制电路包括放大器U1A，放大器U1A的反相输入端与电阻R6连接，同相输入端接地，输出端与第一可调电容驱动马达连接；第二控制电路包括放大器U1B，放大器U1B的反相输入端与电阻R12连接，同相输入端接地，输出端与第二可调电容驱动马达连接。

正向功率信号经电阻R1和电阻R3分压输出入乘法器U2的X1端，幅度信号由U2的Z1端输入，U2的Z2端接地，U2的Y1端接地，U2的WOUT脚与U2D Y2脚短接，WOUT脚由电阻R4输出得到MAG.电压信号，MAG信号由电阻R6输入到控制电路放大器U1A输入端，通过调节可调电阻R1的阻值，可调节MAG信号的增益，以适应不同工况的使用要求。

正向功率信号经电阻R7和R9分压输出入乘法器U3的X1端，U3的X2端接地，相位信号由U3的Z2端输入，U3的Z1端接地，U3的WOUT端与U3的Y1端短接，WOUT端由电阻R10输出得到PHASE电压信号，PHASE信号由电阻R12输入到控制电路放大器U1B输入端，调节可调电阻R7的阻值，可调节PHASE信号的增益，以适应不同工况的使用要求。

由上面的表达式可知，正向功率信号越小MAG.和PHASE信号就越大，反之MAG.和PHASE信号就越小。MAG.和PHASE信号随正向功率信号的变化改善成了线性变化特性，MAG.和PHASE信号的增益随正向功率信号的变化实现了自动调节；同时U1A和U1B的输入信号有了较好的线性变化特性，增益可以调到比原来更高的倍数。当射频自动匹配器阻抗从A点调节到B点时，在前2秒马达驱动有100倍以上增益，马达得以高速调节；当接近B点时马达增益又可急剧的减小到10倍以下，不会发生马达抖动现象。整个匹配时间可以达到3秒以内，并确保了调节精度。这样就可以得到如图7增益自动控制电路输出的MAG/PHASE特性曲线图，从而使本发明得以实现。

Claims (3)

1.在线射频自动匹配器，用于将射频电源输出的射频信号自动匹配给放电负载，自动匹配器包括第一可调电容、第二可调电容、第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达，其特征在于，还包括检测电路、增益自动控制电路、控制电路；

射频电源输出端检测电路输入端连接，检测电路的输出端与增益自动控制电路的输入端连接，增益自动控制电路的输出端与控制电路的输入端连接，控制电路的输出端与第一可调电容驱动马达、第二可调电容驱动马达的控制输入端连接；

所述增益自动控制电路包括第一增益电路、第二增益电路；

第一增益电路包括乘法器U2、形成并联的电位器R1、电阻R2、电阻R3，以及并联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，检测电路的幅度信号输出端与乘法器U2的幅度信号端Z1端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R1连接，电位器R1、电阻R2、电阻R3的并联处与乘法器U2的正向功率检测信号端X1端连接，所述乘法器U2的接地端Z2端接地；乘法器U2的幅度信号输出端WOUT端与电阻R4连接，电阻R6与控制电路连接；

所述第二增益电路包括乘法器U3、形成并联的电位器R7、电阻R8、电阻R9，以及并联的电阻R10、电阻11、电阻R12，检测电路的相位信号输出端与乘法器U3的相位信号端Z2端连接，检测电路的正向功率输出端与电位器R7连接，电位器R7、电阻R8、电阻R9的并联处与乘法器U3的正向功率检测信号端X1端连接，乘法器U3的接地端Z1端接地；乘法器U3的相位信号输出端WOUT端与电阻R10连接，电阻R12与控制电路连接。

2.如权利要求1所述的在线射频自动匹配器，其特征在于，所述乘法器U2、乘法器U3为型号AD734AQ的乘法器。

3.如权利要求1所述的在线射频自动匹配器，其特征在于，所述控制电路包括连接于第一增益电路与第一可调电容驱动马达之间的第一控制电路、连接于第二增益电路与第二可调电容驱动马达之间的第二控制电路，

第一控制电路包括放大器U1A，放大器U1A的反相输入端与电阻R6连接，同相输入端接地，输出端与第一可调电容驱动马达连接；

第二控制电路包括放大器U1B，放大器U1B的反相输入端与电阻R12连接，同相输入端接地，输出端与第二可调电容驱动马达连接。